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中央杏仁核-无名质神经环路在强化学习中的功能研究

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Yuting Cui

摘 要*

Abstract*

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1 绪论

1.1 关联学习的简介

1.1.1 关联学习的分类

1.1.2 关联学习的动物模型

1.2 中央杏仁核与关联学习

1.2.1 杏仁核介绍

1.2.2 杏仁核在关联学习中的作用及研究现状

1.3 基底前脑与关联学习

1.3.1 基底前脑结构简介

1.3.2 基底前脑在关联学习中的研究现状

1.4 尚未解决的问题

1.5 本文主要研究内容

2 实验方法与材料

2.1 实验动物

2.2 神经示踪和手术

2.2.1 主要材料和设备

2.2.2 三维脑立体定位注射

2.2.3 注意事项

2.3 免疫组织化学和细胞计数

2.3.1 主要材料和设备

2.3.2 免疫组织化学的基本步骤

2.3.3 注意事项

2.4 Go/No-Go 行为训练

2.4.1 主要材料和设备

2.4.2 Go/No-Go行为训练基本步骤

2.4.3 注意事项

2.5 条件位置偏好

2.5.1 主要材料和设备

2.5.2 条件位置偏好测试基本步骤及评价参数计算

2.5.3 注意事项

2.6 光纤钙信号记录

2.6.1 主要材料和设备

2.6.2 钙信号记录的操纵流程

2.6.3 钙信号变化计算

2.6.4 注意事项

2.7 在体多通道记录

2.7.1 主要材料和设备

2.7.2 多通道手术的基本步骤

2.7.3 神经元放电的记录和数据处理

2.7.4 注意事项

2.8 膜片钳

2.8.1 主要材料和设备

2.8.2 全细胞记录基本步骤

2.8.3 注意事项

3 中央杏仁核不同类型神经元在强化学习中的作用

3.1 Go/No-Go强化学习行为范式的建立

3.2 中央杏仁核两类神经元在强化学习中的发放模式

3.2.1 Cre/loxp系统简介

3.2.2 中央杏仁核的细胞类型

3.2.3 中央杏仁核两类神经元在强化学习中的发放模式

3.3 中央杏仁核两类神经元在强化学习中的调节作用

3.3.1 光遗传学技术的简介

3.3.2 PKC-δ+神经元的活性对于负性强化学习的获得是必需的

3.3.3 抑制CeL的SOM+神经元的活性并不影响小鼠在Go/No-Go强化学习中的成绩

3.4 分析与讨论

3.5 本章小结

4 中央杏仁核调节强化学习的神经环路

4.1 中央杏仁核神经元投射到无名质SI区域的细胞类型

4.2 CeLPKC-δ-SI神经环路可以双向调节负性强化学习

4.2.1 抑制CeLPKC-δ-SI神经环路会损伤小鼠的负性强化学习

4.2.2 激活CeLPKC-δ-SI神经环路会促进小鼠的负性强化学习

4.2.3 抑制CeL-BNSTv神经环路活性不会影响小鼠的学习成绩

4.3 激活CeLPKC-δ-SI神经环路可以诱导小鼠产生条件位置厌恶

4.4 分析与讨论

4.5 本章小结

5 中央杏仁核-无名质神经环路调节强化学习的机制

5.1 SIVgluT2+ 神经元是CeL PKC-δ+ 神经元传递厌恶性信号的下游靶点

5.1.1 在体多通道记录技术简介

5.1.2 SI区域被CeLPKC-δ-SI神经环路激活的神经元类型

5.1.3 SI区域VgluT2+是CeLPKC-δ-SI神经环路诱导CPA所必需的

5.2 CeLPKC-δ+神经元激活SI谷氨酸能神经元可能的机制

5.3 SI VgluT2+神经元传递厌恶性信号下游脑区的初步研究

5.4 分析与讨论

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 研究展望

致 谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的学术论文目录

附录2 本文主要使用的英文缩写

附录3 本文主要使用的数学统计方法汇总

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摘要

关联学习是将条件刺激(比如声音,光等)与能引起生理反应的非条件刺激(比如水,电击等)建立起联系的过程。其中非条件刺激可以影响行为动机,继而作为强化信号引导学习。经过强化学习,生物体可以根据条件刺激预测奖赏或危险进而灵活地控制行为,这对于其在复杂的环境中生存是必需的。尽管人们已经对关联学习的神经生物学机制进行了大量的研究,但是目前对编码关联学习中强化信号的神经环路和机制阐述尚不明确。 中央杏仁核是整合和控制传统条件反射的一个关键脑区,但是其在调控强化学习中的细胞类型特异性神经环路和机制并不清楚。为了解决这个问题,我们通过小鼠强化学习模型Go/No-Go行为范式,结合光遗传学、神经追踪、在体多通道记录、光纤钙信号以及膜片钳技术,研究了中央杏仁核侧部亚区(CeL)两类神经元在Go/No-Go强化学习中的活性动态和功能,并且阐明了一条具有细胞类型特异性的神经环路。 本文主要研究内容如下: (1)建立稳定可靠的小鼠强化学习模型:Go/No-Go行为范式同时包含正性和负性强化学习,因而非常适合本课题研究。本课题中的小鼠采用头部固定的方式进行训练,通过计算小鼠的学习曲线来验证该学习模型的可靠性和稳定性。 (2)探究了CeL区域不同类型神经元在强化学习中的活性变化和功能:通过光纤钙信号和光遗传学技术,本文探究了CeL区域两类分布相对独立的抑制性神经元-表达神经肽生长激素抑制素(SOM)的神经元和蛋白激酶C的神经元(PKC-δ)在Go/No-Go强化学习中的活性变化和功能。结果发现仅有PKC-δ+神经元通过编码厌恶性强化信号参与到了小鼠在Go/No-Go强化学习的获得阶段。 (3)探究了CeL调节强化学习的神经环路:顺向和逆向神经追踪技术揭示了CeL的PKC-δ+神经元可以特异性地投射到基底前脑的无名质SI亚区。并且这一神经环路通过传递厌恶性的强化信号可以双向调节小鼠在Go/No-Go范式中的强化学习。 (4)阐明了中央杏仁核-无名质神经环路调节强化学习的机制:遗传学凋亡SI区域的谷氨酸能神经元可以阻断直接激活这一神经环路诱导的条件位置厌恶。这表明SI区域的谷氨酸能神经元,作为一个中继站,接受了来自PKC-δ+神经元传递的厌恶性信号。此外,SI区域的谷氨酸能神经元又将厌恶性信号传递到了缰核LHb区域做进一步的加工。 综上所述,本研究通过多种神经生物学技术首次揭示了中央杏仁核-无名质神经环路通过编码厌恶性强化信号可以双向调节小鼠在Go/No-Go范式中的强化学习这一现象,并且详细阐明了该神经环路调节强化学习的机制。

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